Ядерная лаборатория ЦЕРН, большой ускоритель

Фундаментальные исследования ХХ века в ядерной физике привели к созданию сначала атомной и водородной бомб, а затем - атомных электростанций. А в скором будущем, как обещают ученые, человек обуздает и неисчерпаемый источник термоядерной энергии (по сообщениям новостных лент в 2005 г начали строить первый испытательный термоядерный реактор во Франции). Возможно, успехи физики микромира и понимание того, из чего состоит материя и почему она стабильна, откроют совсем новые технологические горизонты, позволив получать энергию прямо из массы, следуя знаменитой формуле Эйнштейна Е = мс².

Расположенная недалеко от Женевы Европейская организация по ядерным исследованиям (ЦЕРН) - пост физики микромира. На протяжении 50 лет здесь раскрываются невероятные тайны мироздания и по крупицам добываются интереснейшие данные о том, как рождаются вселенные, куда миллиарды лет назад исчезла антиматерия и почему все имеет массу. Здесь же построен сверхмощный ускоритель - большой Адронный Коллайдер - LHC, запуск которого ожидается в 2007 году.
Большой Адронный Коллайдер (LHC) - крупнейшая в мире установка для ускорения, накорления и столкновения пучков частиц сверхвысоких энергий. Благодаря ускорителю физики смогут проникнуть так глубоко внутрь материи, как никогда ранее. Эксперименты планируется начать в 2007 году. На ускорителе будут сталкиваться пучки протонов с энергиями до

Размеры приборов для изучения микромира не могут не поражать. Эта сверхпроводящая обмотка по размеру напоминает станцию метро, а энергии магнитного поля данного CMS-детектора вполне достаточно для того, чтобы расплавить несколько тысяч тонн металла.

Большой Адронный Коллайдер (LHC)

Чтобы понять, как устроен мир на масштабах 10^-19, приходится строить ускорители и детекторы, по размеру не уступающие кольцевой ветке Московского метро. На верхнем изображении показана схема кольца ускорителя (он расположен глубоко под землей).

7 ТэВ и пучки ускоренных ядер с энергиями до 1150 ТэВ. Причем это будут не только самые энергичные, но и самые интенсивные пучки в мире. Длинна вакуумного кольца, в котором будут ускоряться частицы, - 27 км. Чтобы удержать пучек частиц в кольце, необходимы сильные магнитные поля, которые можно получить только с использованием эффекта сверхпроводимости. LHC будет самой большой "сверхпроводящей" установкой в мире с удерживающим магнитным полем величиной 10 Тесла. Около 4000 т металла будет охлаждено до температуры всего на 2° выше абсолютного нуля. В результате ток в 1,8 миллиона ампер будет проходить по сверхпроводящим кабелям почти без потерь.
     Идею организации в Европе объединенного института ядерных исследований впервые озвучил французский ученый Луи де Бройль в 1949 году на Европейской конференции по культуре, проходившей в Лозанне. Вот фрагмент его речи: «...Наше внимание сосредоточено на создании новой международной организации для проведения научно-исследовательских работ, выходящих за рамки национальных программ... Эта организация могла бы взять на себя решение таких задач, объем и сущность которых не под силу какому-либо одному национальному институту... Это начинание оправдает затраченные усилия... укрепит связи между учеными разных стран, расширит сотрудничество, упростит распространение результатов научных работ и информации в целом. Кроме того, создание научного центра явится символом объединения интеллектуальных сил Европы».
    Спустя год на Генеральной конференции ЮНЕСКО Пьер Оже и Эдоардо Амальди при поддержке Изидора Раби убедили европейские государства приступить к работе. В результате Европейская организация по ядерным исследованиям (Conseil Еurорееп де lа Recherche Nucleaire) появилась на свет уже в 1952 году. Но официальной датой ее создания считается 29 сентября 1954 года, когда все 12 стран - участниц ратифицировали договор. Сегодня их количество возросло до 20. Есть страны, такие как Россия, Китай, США и Япония, которые не являются членами ЦЕРН, хотя научные институты и промышленность этих стран принимают активное участие в создании ускорителей и детекторов, а также в проведении экспериментов и анализе полученных данных.
    Руководящий совет организации состоит из представителей стран - участниц, по два - от каждой: один представляет правительство, другой - научное сообщество. Таким образом, совет имеет возможность соотносить пожелания ученых с финансовыми возможностями государств.
    ЦЕРН размещается по обе стороны французско - швейцарской границы у подножия горного массива Юра, геологические и сейсмические условия которого являются наиболее подходящими для постройки столь огромных и точных сооружений, как ускорители элементарных частиц. Кроме того, расположение международной организации на территории двух стран как нельзя более соответствует демократическому духу ЦЕРН: открытости, сотрудничеству и солидарности в распространении знаний. В отличие от многих подобных национальных и интернациональных организаций как в России, так и в других странах эту ядерную «лабораторию» можно посетить с экскурсией без бюрократической волокиты и особых разрешений.
    Сотрудничество ЦЕРН с Россией началось в 1960-х годах, когда европейские физики приехали под Серпухов, в поселок Протвино, чтобы принять участие в исследованиях на самом мощном (76GeV) по тем временам ускорителе. Холодная война 1950-х годов не располагала к доверию на международной арене. Но ученые - не политики: взаимный интерес к физике и желание понять друг друга помогли найти общий язык, завязалось не только тесное сотрудничество, но и крепкая дружба между учеными и даже их семьями. А когда в 1974 году в ЦЕРН построили ускоритель SPS мощностью 400 GeV, российские физики из многих научно-исследовательских институтов приняли участие в 20 проводимых на нем экспериментах. Часть этой программы продолжается и сегодня. В целом же сотрудничество с Россией, длящееся уже почти 40 лет, особенно окрепло за последние годы, когда руководство ЦЕРН приняло решение о строительстве нового сверхмощного ускорителя LHC.
    Предназначение ЦЕРН - чистая наука, исследование фундаментальных вопросов Природы. Что такое вещество? Откуда оно появилось? Как оно объединяется в сложные объекты, такие как звезды, планеты и живые существа? Еще одна важная задача ЦЕРН - развитие технологий будущего: от материаловедения и электроснабжения до информатики и глобальных распределенных вычислений.
Лобовое столкновение

Сегодня микромир парадоксальным образом встретился с макромиром: свойства элементарных частиц стали определять судьбы Вселенной. Те эксперименты, которые планируются на Большом Адронном Коллайдере (LHC), должны вплотную приблизить нас к первым мгновениям жизни Вселенной. Ученые предполагают, что после Большого взрыва, породившего нашу Вселенную, стабильная материя, из которой все мы состоим, возникала не сразу, и некоторое время мир представлял собой некий конгломерат основных строительных кирпичиков - действительно элементарных частиц: электронов, мюонов, кварков, глюонов, нейтрино и гамма - квантов. В глубинах Вселенной астрономы с интересом ищут отголоски тех далеких времен. И вот совсем скоро, в 2007 году, ученые - физики планируют воспроизвести в ядерной лаборатории те далекие первозданные условия, когда еще не было протонов и нейтронов, а существовала сплошная кварк - глюонная плазма. Иными словами, исследователи

LHC (Large Hadron Collider) - Большой Адронный Коллайдер, крупнейший на ближайшие 10 лет в мире ускоритель, глубиной туннеля 100 м. SPS (Super Proton Synchrotron) - в этом ускорителе происходит разгон протонов перед их вводом в большой ускоритель. AD (Antiproton Decelerator) - здесь накапливаются и замедляются антипротоны, из которых можно в дальнейшем получать антивещество или использовать их в ускорителе. CNGS - пучек нейтрино, генерируемый ЦЕРН для регистрации, в 730 км от Женевы, в Гран-Сассо. PSB - еще один предварительный ускоритель - усилитель, повыщающий энергию протонов и ионов. ISOLDE - фабрика по производству редких изотопов для нужд медицины и промышленности. LINAC - линейные ускорители, формирующие начальные пучки протонов и ионов свинца. PS - данный ускоритель не только готовит пучки ускоряемых частиц и ионов, но и является фабрикой по производству антипротонов. LEIR - кольцо, в котором накапливаются малоэнергичные ионы и протоны.

надеются увидеть мир злементарных частиц в том виде, каковым он был всего через доли микросекунд после Большого взрыва.
    Интерес теоретиков к ускорителю LHC крайне велик. Уже более 30 лет в научном мире выстраиваются теории, объясняющие наличие массы у элементарных частиц. Одна из них предполагает существование бозона Хиггса. Эту элементарную частицу называют еще божественной, поскольку, возможно, именно благодаря хиггсовским полям наш мир приобретает массу и способность двигаться по инерции в нужном направлении. Но экспериментально существование бозона пока подтвердить не удалось: все надежды - на ускоритель LHC.
    Процессы, происходящие при столкновении элементарных частиц на ускорителях, поразительны: кинетическая энергия там преобразуется в массу! Разогнанные до предельных - почти световых - скоростей частицы, врезаясь друг в друга, рождают целый каскад новых частиц, в том числе и таких, которые имеют массу в тысячи раз больше, чем изначально сталкивающиеся. В нашем мире это можно было бы представить как появление десятков ядер для Царь-пушки при лобовом столкновении двух бильярдных шаров... Микромир устроен совершенно иначе. В нем энергия легко переходит в массу и, наоборот, - масса превращается в энергию. Именно за этими процессами наблюдают сегодня ученые-физики, сталкивая между собой электроны, позитроны, протоны, антипротоны и ядра тяжелых атомов. Сейчас трудно предугадать, во что воплотятся через 50 лет те открытия, которые произойдут в ближайшие десятилетия, но если открытий не делать, то не будет и воплощений...
    Быстро привыкая к удобствам: плоским экранам, компактным СВЧ-печам, компьютерным навигаторам в автомобилях и так далее, мы часто даже не задумываемся над тем, что все это стало реальным благодаря физике. Точнее, благодаря открытию электрона - частицы, отвечающей за абсолютное большинство протекающих вокруг нас электрическик процессов. Это открытие полностью изменило нашу жизнь, и еще очень долго именно электромагнитные процессы будут определять наши успехи, достижения и неудачи в освоении окружающего мира. В целом же вся современная техника основана на достижениях, сделанных в областях физики и химии еще в первой половине ХХ века. Так, без разработки полупроводниковых приборов не было бы и современных компьютеров, и Всемирной сети Интернет.
    Именно в тот период человечество шагнуло в эру освоения электричества как универсального источника энергии, как носителя и средства обработки информации. Что же касается ускорителей, то на первый взгляд эксперименты на них кажутся очень далекими от задач народного хозяйства. Но это далеко не так! Ускорители «притягивают» к себе самых умных и активных представителей человечества, а те, в свою очередь, выдают «на-гора» полезнейшие разработки, начиная от рентгеновского аппарата и кончая новой компьютерной системой GRID. Эта система в скором времени станет незаменимой при обработке огромного потока информации, которая начнется с запуском ускорителя LHC.
    В нашей жизни есть и другие ускорители, компактность которых не мешает им также «притягивать к себе». Это, конечно же, телевизоры. Совсем недавно каждый из них обязательно имел электронно-лучевую трубку (ЭЛТ) - простейший линейный ускоритель электронов, который, кстати, содержит практически все принципиальные узлы ускорителя. А именно - катод, испускающий заряженные частицы; электроды, модулирующие и ускоряющие частицы; систему фокусировки луча; магниты, отклоняющие поток частиц; вакуум, не препятствующий полету частиц, и люминофор, делающий видимым поток электронов (аналог системы датчиков, регистрирующих частицы).
    На самом деле ускорителей вокруг нас гораздо больше - это все электровакуумные приборы, начиная от диодов и триодов и кончая магнетронами, работающими в СВЧ-печах и радиолокаторах. Стоит отметить, что и привычная флюорография родилась как побочный продукт изучения процесса ускорения и резкого торможения электронов в катодной трубке. Оказалось, что, резко тормозя, заряженные частицы излучают жесткое электромагнитное излучение - Х-лучи, как назвал их первооткрыватель В.К. Рентген в ноябре 1895 года.
    Обыкновенный портативный дозиметр, позволяющий спокойно гyлять по загрязненной нашими общими усилиями Земле, - это тоже изделие ядерной физики, и входящий в его состав счетчик Гейгера-Мюллера в некотором смысле - тоже ускоритель электронов. Способность рентгеновских и гамма-лучей убивать все живое сегодня активно применяют для того, чтобы стерилизовать продукты и обеззараживать медицинские изделия. Такая холодная дезинфекция часто бывает гораздо эффективнее горячей и требует меньше времени и энергии.

CERN - Conseil Europeen de Ia Recherche Nucleaire, Европейская организация по ядерным исследованиям. В настоящее время ее членами являются: Австрия, Бельгия, Болгария, Великобритания, Венгрия, Германия, Греция, Дания, Испания, Италия, Нидерланды, Норвегия, Польша, Португалия, Финляндия, Франция, Швейцария, Швеция и др. Статус наблюдателя имеют: Израиль, Индия, РФ, США, Турция, Япония, Европейская Комиссия и ЮНЕСКО.

Фундаментальные фермионы	Лептоны		Кварки
Электрический заряд	-1	0	+2/3	-1/3
Первое семейство: Частицы окружающего мира принадлежат этой группе	Электрон переносит электрический ток M=0,511 МэВ/с²	Электроннное нейтрино играет фундаментальную роль при горении Солнца, каждую секунду сквозь вас пролетают миллиарды этих частиц	u-кварк входит в состав протонов и нейтронов (up - верхний) M=3 МэВ/с²	d-кварк входит в состав протонов и нейтронов (down - нижний) M=6 МэВ/с²
Второе семейство Эти частицы существовали в первый момент после Большого взрыва. Теперь их можно обнаружить в космосе и на ускорителях частиц. Третье семейство	Мюон - аналог электрона, время жизни - 2 микросекунды M=106 МэВ/с²	Мюонное нейтрино образуется при рождении и распаде мюонов M<0,2 МэВ/с²	c-кварк (charm - очарованный) открыт в 1974 г. M=1300 МэВ/с²	s-кварк (strange - странный) открыт в 1964 г. M=100 МэВ/с²
	Тау - аналог электрона, время жизни - 3*10^-13 M=1777 МэВ/с²	Тау нейтрино образуется при рождении и распаде тау лептонов, открыто в 1975 г. M<20 МэВ/с²	t-кварк (top - самый верхний или truth - истинный) открыт в 1995 г. M=175 000 МэВ/с²	b-кварк (beauty - прелестный) открыт в 1977 г. M=4300 МэВ/с²
Строение материи: сегодня ученые считают, что именно из этих 12 элементарных "кирпичиков" состоит вся окружающая нас материя
материя	Атомы	Электрон и ядра	Прононы и нейтроны	Кварки

Пилигримы орбиты (2-я часть) Ядерная лаборатория (2-я часть)